因此,对于第二代非充气轮胎的3D打印成型,应适当降低内壁处3D打印速度,以保证内壁处层与层之间的充分粘结。同时在非充气轮胎的结构设计上,应适当增加内壁的厚度,以保证内壁的力学强度。
结合对第一代非充气轮胎和第二代非充气轮胎最终3D打印制品的性能分析,对非充气轮胎的结构进行了第三次优化。第三代非充气轮胎在结构上依然采用胎面和轮辖一体化结构,同时在第二代非充气轮胎的基础上增加内壁的壁厚。此外在内壁中间部位处还设计了一个轮框结构,此结构目的是为了最终非充气轮胎与汽车轮辋的固定。轮胎外径为70mm,内径为40mm。最终通过FDM的3D打印技术一体化直接打印成型。
第三代非充气轮胎FDM技术打印成型时3D打印参数的设置。对比第一代和第二代非充气轮胎的3D打印参数设置,可以发现第三代非充气轮胎打印成型过程中降低了3D打印速度,这是因为第三代非充气轮胎在内壁处增加了一个底部悬空的轮框结构,从而在自下而上的3D过程中需要在轮框结构处先3D打印一个支撑。支撑的存在会严重影响轮框结构处的打印精度和打印成功率,同时支撑在第三代非充气轮胎3D打印成型后需要去除,这又将影响轮框结构处的表面光滑度。所以为了保证第三代非充气轮胎最终3D打印成型制品整体结构的精度和完整性,降低了3D打印速度。
轮辋安装后的非充气轮胎的整体结构。最终打印成型的第三代非充气轮胎与轮辋匹配度高,同时由于轮框上均匀分布的小孔,其3D打印成型精度高,保证了轮辋安装的牢固性。
轮辋安装完成后,对3D打印成型的第三代非充气轮胎进行了台架实验,主要测试了其三向刚度,包括径向刚度、侧向刚度、纵向刚度,第三代非充气轮胎三向刚度测试过程图。
通过分析测试结果,研究了第三代非充气轮胎的整体性能。第三代非充气轮胎的三向刚度测试曲线。图中100%属性仿真值、60%属性仿真值、50%属性仿真值所对应的曲线,分别为第三代非充气轮胎3D打印成型时所用TPU材料性能的100%、60%、50%进行计算机模拟仿真时所得到的刚度曲线。而3D打印轮胎所对应的曲线为第三代非充气轮胎3D打印成型制品在台架试验中所测得的实际三向刚度曲线。
从各图中对比分析可以看出,第三代非充气轮胎3D打印成型制品的实际三向刚度与100%属性仿真所得的三向刚度相差较大,而50%属性仿真所得的三向刚度与非充气轮胎3D打印成型制品的实际三向刚度基本吻合。说明了采用3D打印技术进行制品的成型时会导致性能存在部分损失。
因此在对非充气轮胎的性能模拟过程中需要适当降低材料的性能,从而才能更好的保证计算机仿真结果与3D打印非充气轮胎的实际性能相一致。
在3000N的载荷作用下,3D打印非充气轮胎的实际径向刚度值为462N/mm,侧向刚度值为344.4N/mm,纵向刚度值为306.1%N/mm,对比分析3D打印第三代非充气轮胎的实际三向刚度值,其侧向刚度和纵向刚度较小,径向刚度较大。
而根据非充气轮胎3D打印成型时所用TPU材料性能的100%进行仿真时所得的三向刚度值分别是径向刚度值为762.1N/mm,侧向刚度值为437.5N/mm,纵向刚度值为489.2N/mm。
因此可以得出在相同载荷条件下,3D打印成型的第三代非充气轮胎实际径向刚度为100%属性仿真值的60.6%,实际纵向刚度为100%性能仿真值的78.7%,实际径向刚度为100%性能仿真值的62.6%,说明了采用3D打印技术进行非充气轮胎的成型对其性能损失较大。
当使用3D打印TPU材料性能的60%进行仿真时,所得到的三向刚度仿真值分别是径向刚度值为560.8N/mm,侧向刚度值为320.1N/mm,纵向刚度值为396.8N/mm。此时可得到3D打印非充气轮胎实际径向刚度达到仿真值的80.3%,实际侧向刚度为仿真值的107%,实际纵向刚度为仿真值的77.1%,即通过降低非充气轮胎3D打印成型时所用TPU材料的性能进行仿真,可以增大实际3D打印非充气轮胎的三向刚度与计算机仿真值的吻合性。
在此基础上,继续减低计算机仿真时TPU材料的性能。当降低到50%的比例时,仿真所得到的三向刚度分别是径向刚度值为473.6N/mm,侧向刚度值为268.2N/mm,纵向刚度值为334.8N/mm。此时3D打印非充气轮胎的实际三向刚度分别达到50%属性仿真所得三向刚度的97.5%、128%、91.4%,因此,当采用TPU材料原始性能的50%进行模拟仿真时,可以保证3D打印非充气轮胎的实际三向刚度与计算机仿真结果相吻合。
综上所述,说明了采用FDM技术3D打印成型非充气轮胎时,3D打印的成型方式对成型制品性能影响较大。同时在对非充气轮胎的结构设计时,需要考虑由于3D打印技术在成型过程中所导致的制品性能的损失。
在3000N左右载荷条件下,充气轮胎的径向刚度值为198.09N/mm,侧向刚度值为119.08N/mm,纵向刚度值为250.11N/mm。充气轮胎的三向刚度与非充气轮胎的三向刚度相差较大,非充气轮胎在3000N载荷条件下各向刚度值远大于充气轮胎的各向刚度值。而非充气轮胎侧向刚度大,有助于提高汽车的操纵稳定性。